廣電計(jì)量|車載功率半導(dǎo)體常見失效機(jī)理及案例（封裝篇）

近年來，廣大消費(fèi)者可明顯感受到身邊新能源汽車已占據(jù)了日常出行的“半壁江山"，四月汽車銷售榜單更是從數(shù)據(jù)上印證了這一點(diǎn)。

新能源汽車雖然愈發(fā)流行，但仍不免有很多車主對安全性持有懷疑態(tài)度，而維護(hù)新能源汽車安全性的其中一個關(guān)鍵就是確保汽車的大腦--車載芯片的有效性。對車載芯片進(jìn)行失效分析以保證車主及道路行人的安全，正是廣電計(jì)量元器件與失效分析實(shí)驗(yàn)室的日常課題。

今天將從車載功率半導(dǎo)體行業(yè)需求背景及具體案例，來說說新能源汽車功率半導(dǎo)體可靠性這個大家都關(guān)心的問題。

一、車載功率半導(dǎo)體行業(yè)需求背景

功率半導(dǎo)體是構(gòu)成電力電子轉(zhuǎn)換裝置的核心器件，電能轉(zhuǎn)換領(lǐng)域開關(guān)控制等均需要用到，在新能源汽車領(lǐng)域應(yīng)用尤為廣泛。據(jù)由社會科學(xué)文獻(xiàn)出版社正式出版發(fā)行的《汽車大數(shù)據(jù)應(yīng)用研究報(bào)告（2021）顯示，預(yù)計(jì)2025年混動+新能源車達(dá)到兩千萬輛，同時由于更先進(jìn)的電子技術(shù)被不斷應(yīng)用，功率半導(dǎo)體將得到大量普及，預(yù)期會占到汽車電子價(jià)值量的一半以上。

與此同時，車載功率半導(dǎo)體（特別是第三代半導(dǎo)體）的研發(fā)、生產(chǎn)在國內(nèi)尚處于起步階段，國際上對其各種失效模式、失效機(jī)理的研究也有限。車載半導(dǎo)體器件工作環(huán)境惡劣，工作時功率高、發(fā)熱大、可靠性異常問題多發(fā)，其安全性、可靠性、穩(wěn)定性一直是困擾器件廠、主機(jī)廠的問題。

研究并積累車載功率半導(dǎo)體常見失效模式、失效機(jī)理，進(jìn)而對產(chǎn)品加以改進(jìn)，提供更可靠的功率半導(dǎo)體給車廠，促進(jìn)汽車產(chǎn)業(yè)鏈長效發(fā)展是業(yè)內(nèi)共同愿望。

案例一：鍍錫引腳變色分析

背景介紹：器件做完濕度類（HAST、HTRB）試驗(yàn)后，管腳變色嚴(yán)重

機(jī)理分析：變色原因主要是鍍錫層吸濕表面容易形成水膜，并與空氣中氧參與下表面形成無數(shù)電化學(xué)微原電池，錫作為電池一電極失去電子被氧化，容易形成SnO（一氧化錫），通常表現(xiàn)為黑色或棕黑色。該物質(zhì)在空氣中較穩(wěn)定，繼續(xù)加熱容易形成SnO2（氧化錫）為白色立方晶體。

案例二：沖擊試驗(yàn)后鍵合脫落、剪切不合格分析

背景介紹：器件做完溫度沖擊類（IOL、TC）試驗(yàn)后，內(nèi)鍵合開路或剪切力不合格

機(jī)理分析：鍵合剪切力變小或鍵合脫落原因主要是反復(fù)的熱應(yīng)力膨脹收縮產(chǎn)生金屬機(jī)械疲勞，使鍵合從兩頭（跟部、趾部）開始產(chǎn)生裂紋（并且可見趾部裂紋延伸比跟部嚴(yán)重，這證明鍵合趾部弱于跟部）。通過離子研磨及金相處理后可以清晰看到裂紋沿著金屬細(xì)化區(qū)中晶界面邊界延伸（該細(xì)化區(qū)是由于鍵合造成的晶粒重構(gòu)尺寸變化）。進(jìn)一步使用FIB處理后再用TEM放大分析，同時可見源區(qū)個別晶界也產(chǎn)生裂紋并延伸到襯底。

案例三：溫度試驗(yàn)后鋁電極黑化分析

背景介紹：器件做完溫度沖擊類（IOL、TC）試驗(yàn)后，內(nèi)部電極鋁PAD嚴(yán)重變黑

機(jī)理分析：變黑原因主要是鋁層發(fā)生金屬化重建造成表面變粗糙，發(fā)生漫反射變黑。由于硅與鋁有不同的熱膨脹系數(shù)（硅基芯片隨溫度升高擴(kuò)張為 2~4 ppm / K，金屬鋁為23.5 ppm / K）?？梢婁X層在溫度升高階段會承受來自硅基芯片的壓縮應(yīng)力，此周期性壓應(yīng)力會在鋁層彈性超過導(dǎo)致粒子間的塑性變形（通常這種情況的結(jié)溫>110℃），塑性變形進(jìn)而導(dǎo)致了單個粒子的外突，最終導(dǎo)致表面粗糙無光澤。同時溫度降低階段存在拉伸應(yīng)力，此拉伸應(yīng)力如果超過彈性限度會導(dǎo)致空化效應(yīng)晶界，通常會表現(xiàn)為鋁層密度降低，電阻增加。這會降低器件承受浪涌電流的能力，但是該鋁層重建現(xiàn)象在有物質(zhì)覆蓋時會被抑制（圖片可見鈍化層覆蓋位置沒有變黑現(xiàn)象），因此鍵合位置影響很小。試驗(yàn)后只需關(guān)注鍵合測試結(jié)果是否合格即可。

一、結(jié)語

以上分析綜合使用了物理、化學(xué)、金屬材料學(xué)綜合交叉知識，同時使用了金相顯微鏡、離子研磨CP設(shè)備、FIB雙束聚焦離子束、透射電鏡TEM等高階分析設(shè)備。除設(shè)備外，還要求分析人員熟練掌握元器件基本結(jié)構(gòu)、材料，最終結(jié)合微區(qū)操作物理、化學(xué)制樣能力。綜合以上種種能力才能將半導(dǎo)體器件內(nèi)部缺陷的暴露進(jìn)而分析。

二、廣電計(jì)量解決方案

廣電計(jì)量經(jīng)過在功率半導(dǎo)體方面數(shù)年積累，形成了博士7人、碩士13人的專業(yè)人才團(tuán)隊(duì)，各方面研究方向同步業(yè)內(nèi)先進(jìn)研究進(jìn)展；并且研究設(shè)備均為業(yè)內(nèi)多套設(shè)備（靜態(tài)/動態(tài)參數(shù)測試：B1505A、B1506A、SW8200A等，物理分析：T3Ster、DB FIB、FE SEM、TEM、InGaAs、ORBICH、Thermal Emmi等）；

技術(shù)先進(jìn)性：廣電計(jì)量結(jié)合AEC-Q/AQG324車規(guī)認(rèn)證大量的案例數(shù)據(jù)庫，積累了豐富的各種應(yīng)力環(huán)境導(dǎo)致的失效模式、失效機(jī)理分析材料，同時積累了豐富的結(jié)構(gòu)分析經(jīng)驗(yàn)、制樣經(jīng)驗(yàn)?？梢钥焖贉?zhǔn)確地協(xié)助客戶進(jìn)行功率半導(dǎo)體失效根因判定、機(jī)理分析。